多頻段隱身材料的研究現(xiàn)狀與進展

徐國躍 錢淇 方罡 徐晨 李曉鵬 劉初陽

摘要：在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，為了提高在軍事對抗中的競爭實力，隱身技術(shù)一直都是各國的重點研究對象，而隱身材料在其中占據(jù)了重要位置。本文深入研究了各階段單一頻段隱身材料的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了雷達、可見光、高光譜和紅外隱身材料的優(yōu)勢與不足，分析了現(xiàn)階段各種兼容隱身材料的發(fā)展新需求；綜述了目前雷達與紅外、可見光與紅外、高光譜與紅外、多頻段兼容隱身材料的作用機理以及研究現(xiàn)狀，并指出了未來多頻譜隱身材料的發(fā)展方向。隨著材料研究的不斷深入以及相關(guān)機理的突破，多頻譜隱身材料將會成為支撐我國軍事地位的重要力量。

關(guān)鍵詞：多頻段隱身材料；雷達；紅外；可見光；高光譜

中圖分類號：TB39文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.01.001

基金項目：航空科學基金（2018ZF52078）

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的不斷進步，世界各大軍事強國的探測技術(shù)逐漸趨于多樣化，從傳統(tǒng)的單一探測方式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎囝l段多角度的探測[1-3]。傳統(tǒng)探測方式包括雷達、紅外、可見光以及激光等多頻段，而隨著衛(wèi)星高光譜技術(shù)的發(fā)展，因其豐富的物質(zhì)光譜特性及其獨特譜像表示方式，使原本在寬波段偵察中不易探測的偽裝隱身軍事目標在高光譜偵察中能被探測，使得戰(zhàn)場上地面指揮所等設(shè)施以及飛機、坦克等武器裝備被發(fā)現(xiàn)和摧毀的概率大大提高，嚴重威脅設(shè)施和武器裝備在戰(zhàn)場上的生存能力[4-6]。因此，研究設(shè)計出針對多頻段探測手段的隱身材料，有助于提高我國武器裝備在戰(zhàn)場上的生存能力以及進攻能力，這對我國國防和軍事安全具有重要的意義。

據(jù)統(tǒng)計，在各軍事強國使用的精確制導武器中，仍以紅外制導為主，并且已經(jīng)趨于成熟，而在戰(zhàn)場上采用的高技術(shù)探測器中，紅外探測占30%左右，雷達探測約占60%，其他探測約為10%[6-7]。如早期美國FPS-108超視距雷達，能探測到范圍在1500km內(nèi)的目標；中國在這方面起步較晚，但也逐漸建立了國家導彈防御系統(tǒng)的天波超視距雷達。因此，雷達/紅外兼容隱身材料是提高武器裝備在未來戰(zhàn)爭中生存能力的關(guān)鍵因素[8]。除此之外，由于衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，以及高光譜探測技術(shù)的出現(xiàn)，多頻段隱身材料面臨著更為嚴峻的挑戰(zhàn)[9-10]。目前，國內(nèi)外對于多頻段兼容的隱身材料仍然以雷達/紅外兼容隱身材料為主[11]，還包括可見光與紅外兼容隱身材料等[12]。而針對覆蓋可見光、紅外、雷達，以及高光譜在內(nèi)的多波段隱身材料仍處于起步階段。

針對多頻段兼容隱身材料，主要基于兩種思路：（1）分別研究出雷達波段的高性能微波吸收材料、紅外波段的高溫低發(fā)射率材料、可見光波段的智能變色材料，以及與背景環(huán)境反射率特征較為吻合的高光譜材料，然后將其有效地組合形成雙層或者多層的復合結(jié)構(gòu)；（2）研制出一種集雷達高吸收、紅外高反射于一體的材料，且在可見光波段具有良好的偽裝效果，這類材料包括光子晶體、摻雜半導體等[13-14]。

1雷達與紅外兼容隱身材料

在眾多探測技術(shù)中，目前最為普遍且有效的探測手段仍是雷達探測和紅外探測，單一的雷達材料機制是通過將電磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，這一過程會提高材料在紅外波段的顯現(xiàn)。因此，雷達與紅外兼容隱身材料一直是研究者們的重點研究對象。目前，關(guān)于雷達隱身材料的研究主要集中于2～18GHz頻段，要求材料對該頻段的電磁波具有很強的吸收，即低反射、高發(fā)射特性；對紅外隱身材料的研究主要針對大氣窗口的3～5μm和8～14μm波段，要求材料對該波段對紅外波吸收較少，即高反射、低發(fā)射特征[15]。

從20世紀開始，研究者就開始將半導體材料引入雷達與紅外兼容隱身領(lǐng)域[16-22]。半導體作為一種常用的功能材料，可以通過摻雜離子調(diào)控半導體的禁帶寬度來實現(xiàn)光、電、磁等優(yōu)異特性。在雷達頻段，摻雜的半導體主要利用介電損耗對電磁波進行衰減，主要的表現(xiàn)方式為：

（1）電導損耗

摻雜的半導體具有一定量自由移動的電子，在外電場的作用下，電子發(fā)生定向移動，從而產(chǎn)生電流，當電流經(jīng)過介質(zhì)時會出現(xiàn)能量的損耗，從而對電磁波進行衰減。

（2）極化損耗

2可見光與紅外兼容隱身材料

可見光隱身是針對攝像、目視等觀測手段來進行規(guī)避的隱身技術(shù)，調(diào)節(jié)自身與環(huán)境的顏色與光澤度的匹配[29-32]，達到對目標的視覺信號的控制，從而降低被探測到的概率。可見光與紅外的兼容隱身的實現(xiàn)，可以極大地提高我軍在陸戰(zhàn)的生存率，從而占據(jù)戰(zhàn)爭中的主導地位。目前，常用的可見光-紅外兼容隱身材料主要采用顏料涂覆于紅外涂層表面或者與紅外低發(fā)射率填料混合再填充于樹脂之中[33-37]。如華中電子科技大學的張鳳國[38]首先研究了低發(fā)射率的片狀鋁粉涂層，然后將鋁粉和各種顏色的顏料進行球磨混合，最后噴涂形成具有迷彩特點可見光-紅外兼容隱身涂層，結(jié)果顯示，利用顏料可以對紅外涂層進行可控調(diào)節(jié)，其中深綠、淺綠以及土黃色的兼容涂層發(fā)射率分別為0.89、0.76以及0.64，涂層表面具有一定的發(fā)射率差，從而在紅外波段呈現(xiàn)成區(qū)分的斑塊達到兼容隱身的目的。

除了這種利用填料與樹脂結(jié)合再涂覆于基材上的手段，當前較為熱門的還有結(jié)構(gòu)性的光子晶體材料，光子晶體是由多種具有不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料在空間按一定的周期排列所形成的一種人工周期性晶體結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由于布拉格衍射的存在，某些波長的電磁波無法通過晶體，形成一種類似于禁帶的特性。因此，通過調(diào)節(jié)周期性單元的材料以及大小，可以使光子晶體的禁帶處于所要求的禁帶頻段，從而實現(xiàn)多頻段的隱身。張繼魁等[39]為了使光子晶體具有環(huán)境適應(yīng)性，使材料在很寬的范圍內(nèi)都能與背景環(huán)境匹配較好，他們采用改變光子晶體的周期數(shù)，制備出了6種紅外發(fā)射率不同的光子晶體（0.116、0.212、0.307、0.519、0.606及0.718），然后將其如圖3所示組合拼接成具有迷彩特性的光子晶體，并將其覆蓋于需要隱身的對象上，結(jié)果顯示：在292～302K的溫度下，發(fā)射率為0.212、0.307、0.606的迷彩光子晶體的平均溫度與背景的溫度差為12.55K，與環(huán)境具有良好的相容性，增強了隱身性能。

然而這類顏色以及發(fā)射率固定的可見光-紅外兼容隱身材料應(yīng)用場景單一，無法滿足當今現(xiàn)代戰(zhàn)爭中復雜的背景環(huán)境。因此，智能變色、變發(fā)射率的材料被人們所提出，主要包括熱致變色變發(fā)射率材料以及電致變色變發(fā)射率材料，即材料的顏色以及發(fā)射率變化分別是由熱源和電源控制的。Zhu等[40]利用固相法制備了梯度Co2+離子摻雜ZnO樣品，由于摻雜引起的缺陷降低了ZnO的禁帶寬度，隨著溫度的增加樣品對光吸收的增加，從而導致了顏色由綠色變?yōu)榧t棕色，如圖4（a）所示，與叢林與沙漠的環(huán)境相適應(yīng)；除此之外，隨著Co2+離子摻入ZnO的晶格，ZnO的發(fā)射率隨溫度的變化更加明顯，即隨溫度的升高而升高，與高溫環(huán)境的背景融合度提高。這類材料的顏色和發(fā)射率雖然可以隨著溫度的變化而變化，在環(huán)境溫度變化較大的情況下能達到可見光-紅外兼容隱身的要求，但是由于這種變化的溫度閾值較高，限制了其在實際情況下的應(yīng)用。電致變色變發(fā)射率材料則由于其驅(qū)動力為電壓，在實際應(yīng)用方面更容易達到要求。Xu等[41]設(shè)計了一種基于H2SO4摻雜的柔性聚苯胺薄膜，如圖4（b）所示，實現(xiàn)了在可見光-紅外波段同時進行光和熱的可變調(diào)節(jié)；通過調(diào)整電壓，該器件可以從寬帶隙半導體變?yōu)榻^緣體，從而使器件從一個深綠色的高熱發(fā)射器變?yōu)橐粋€亮黃色的光學反射器；在8～14μm和2.5～25μm的波長范圍內(nèi)，器件的紅外發(fā)射率變化分別為0.4和0.3，高于大多數(shù)報道的電致變色器件；除此之外，該裝置具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性和靈活性，熱成像結(jié)果表明，該裝置可以電化學和可逆調(diào)諧，使它們與環(huán)境混合。

3高光譜與紅外兼容隱身材料

隨著高光譜遙感技術(shù)的不斷進步，武器裝備依靠降低與背景輻射差異的手段，雖然可以躲避目前大多數(shù)探測器的探測，但是隨著高光譜遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，一般兼容隱身材料在可見光到近紅外波段無法達到精確匹配，即“異譜同色”，這就導致了傳統(tǒng)的兼容隱身材料只能保證在各頻段與背景的輻射特性的一致性。目前，國內(nèi)外對于高光譜隱身方面的研究報道較少，還需要向材料與背景的特征圖譜匹配的方向努力。對地面目標以及低空飛行目標而言，常見的背景環(huán)境為綠色植被，因此實現(xiàn)與綠色植物特征光譜的一致很有必要[42-46]。

南京大學電子科學與工程學院的顧兆栴團隊[47]分析了400～2500nm波段范圍內(nèi)多種綠色植物的光譜特征曲線以及機理，發(fā)現(xiàn)綠色植物在550nm、680～780nm、780～1300nm、1450nm和1930nm處都有其獨特的吸收峰，因此針對這一特點，他們團隊選用了鉻綠、聚脲樹脂、復配ZnSO4？7H2O/BaCl2？ 2H2O制備出的涂層，從圖5中可以看出，涂層與桑葉相似的光譜，且涂層整體的光譜反射率和桑葉的光譜曲線比較接近。

4可見光-紅外-雷達-高光譜兼容隱身材料

目前，針對多探測手段的材料仍處于起步階段，國內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)庫以及Web of Science檢索的結(jié)果也顯示這類文章較少，兼容高光譜隱身的內(nèi)容幾乎沒有，但是根據(jù)已有文獻來看，多波段隱身材料的開發(fā)仍以多材料堆疊形成復合涂層或者膜為主。Huang等[48]提出一種多頻譜的超表面（MSM），設(shè)計方案如圖6（a）所示，可以同時實現(xiàn)好的光學透明度、低紅外發(fā)射率和寬頻微波吸收的性能；MSM由頂部的選擇頻率表面（FSS）、中間的電阻吸收層和底部的完整導電片三層組成。由于FSS的導電面積占比大且FSS具有低通度的特性，允許電磁波穿透FSS進入中間吸收層，同時表面紅外發(fā)射率低；最終試驗結(jié)果如圖6（b）所示，該MSM可以同時實現(xiàn)在12.03～29.43GHz雷達頻段的90%強吸收和在3.0～14.0μm中約0.3的低紅外發(fā)射率，平均光學透明度高于90%，因此該材料具有良好的多光譜兼容性。國內(nèi)軍械工程學院的宣兆龍等[49]沿用了傳統(tǒng)迷彩偽裝的想法，制備出了一種在可見光-紅外-雷達兼容的迷彩偽裝遮罩，這種遮罩的形狀是開孔的輕質(zhì)毯子，表面涂覆隱身涂料后，在紅外700～2000nm波段的反射率低于10%且光澤度在2%以下；在8～18GHz的雷達頻段，材料對雷達波的吸收達到99%。

5結(jié)論

現(xiàn)代戰(zhàn)爭探測手段不斷進步，武器裝備在這種背景下不僅要向單頻段“薄、輕、寬、強”的方向發(fā)展，更要兼顧各個頻段的協(xié)同作用，從而滿足多頻段的隱身性能要求。目前，雷達與紅外、可見光與紅外、高光譜與紅外兼容隱身材料的研究已經(jīng)取得了一定的進步，尤其是雷達與紅外、可見光與紅外兼容的隱身材料已經(jīng)趨于成熟，然而針對可見光-紅外-雷達的多頻段隱身材料的研究仍存在機理不明確、材料選擇不明、制備工藝不完善等問題。除此之外，兼容高光譜隱身的相關(guān)研究更少，這也是未來研究多頻譜隱身材料需要關(guān)注的一個重要問題。隨著材料研究的不斷深入以及相關(guān)機理的突破，多頻譜隱身材料在未來將會成為支撐我國軍事地位的重要力量。

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Research Status and Progress of Multi-Spectrum Stealth Materials

Xu Guoyue1，Qian Qi1，F(xiàn)ang Gang1，Xu Chen1，Li Xiaopeng2，Liu Chuyang1

1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

2. Nanjing Zhi Yin Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210016，China

Abstract： In order to enhance competitive strength of military confrontation， stealth technology has always been a national research focus in the modern war， and the stealth materials play a significant role in stealth technology. Through in-depth research on the development status of single waveband stealth materials， the paper summarizes the advantages and disadvantages of radar， visible light， hyperspectral and infrared materials. The new development needs of the various compatible stealth materials are analyzed. The stealth mechanism and research status have been investigated in terms of the radar-infrared， visible-infrared， hyperspectral-infrared and multi-spectrum compatible stealth materials as well as the development direction. With the deepening material research and the breakthrough of related mechanisms， multi spectrum stealth materials will become an important force to support China’s military status in the future.

Key Words： multi-spectrum stealth materials； radar； infrared； visible light； hyperspectral

3239500338211